（控制理论与控制工程专业论文）基于预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho nt i m ed e l a yc o m p e n s a t i o nc o n t r o l s t r a t e g i e sf o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o n p r e d i c t i v ec o n t r o l l ix i a o u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f h ef a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，er c h i n a m a y , 2 0 1 1 腓9 9m 5m 3 舢8舢8 删1舢y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：痞i 卜日期：剖：曼! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学町以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壁当导师签名：鱼苤日期：凼。 济南大学硕士学位论文 目录 摘要。v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究目的和意义一1 1 2 国内外研究发展概况2 1 3 本文主要研究内容5 第二章网络控制系统概述及基本问题分析7 2 1 网络控制系统的结构和特点7 2 2 网络控制系统中的基本问题8 2 2 1 网络诱导时延9 2 2 2 数据包丢失9 2 2 3 数据包时序错乱10 2 2 4 单包传输和多包传输1 1 2 2 5 网络调度1 l 2 2 6 节点的驱动方式1 2 2 2 7 时钟同步一13 2 3 本章小结1 4 第三章时延对网络控制系统性能的影响15 3 1 网络时延1 5 3 1 1 网络时延产生的原因一1 5 3 1 2 网络控制系统中时延的组成1 5 3 2 时延对网络控制系统的影响1 6 3 2 1 网络控制系统仿真建模及分析l7 3 2 2 仿真结果及分析1 8 3 3 网络时延测试l9 3 3 1 测试目的及方法1 9 基于预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研究 3 3 2 测试结果及分析2 1 3 4 本章小结2 4 第四章广义预测控制算法2 7 4 1g p c 算法原理2 7 4 1 1 对象模型2 8 4 1 2 输出预测模型2 9 4 1 3 控制算法和预测控制律3 0 4 1 4 多步d i o p h a n t i n e 方程的求解3 2 4 2g p c 算法参数选取原则3 3 4 3g p c 算法各参数对系统性能影响3 4 4 4 本章小结3 7 第丘章g p c 算法在网络控制系统时延补偿中的应用3 9 5 1 常用时延补偿策略3 9 5 1 1s m i t h 预估补偿3 9 5 1 2 模糊控制时延补偿4 l 5 2g p c 算法对时延和模型失配情况的鲁棒性4 3 5 2 1 网络控制系统的g p c 仿真建模4 3 5 2 2g p c 算法对n c s 时延的鲁棒性4 5 5 2 3g p c 算法对n c s 模型失配的鲁棒性5 0 5 3g p c 算法在网络控制系统时延补偿中的实现5 3 5 3 1 时延补偿原理5 3 5 3 2 时延补偿仿真分析5 6 5 4g p c 算法在网络控制实验平台上的实现5 8 5 5 本章小结6 0 第六章结论。6 3 参考文献。6 5 致谢6 9 l i 济南大学硕上学位论文 附录7 l i i i 基f 预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研究 i v 济南大学硕上学位论文 摘要 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s ) 具有可实现资源共享、 安装与维护方便、远程操作与控制以及可靠性高等优点，在工业过程控制、航 空航天、机器人、远程教学与远程医疗等领域存在广泛的应用。由于网络带宽 和网络通信速率的限制，n c s 中的信息在相互交换过程中不可避免地会存在网 络时延问题，而时延会对n c s 的性能造成不利的影响。因此，如何削弱网络时 延对n c s 性能造成的不利影响，探索一种先进的控制策略具有重要的理论意义 和应用价值。 本课题依托山东省自然科学基金项目：工业网络控制系统同步控制性能及 控制策略研究( z r 2 0 0 9 g m 0 2 7 ) 。通过对国内外相关领域大量文献的分析和研 究，在对n c s 中网络时延的特性进行深入分析的基础上，提出一种基于广义预 测控制( g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，g p c ) 的网络时延补偿策略，用来削弱 网络时延对n c s 性能造成的不利影响。 为了分析网络时延对n c s 性能的影响，利用t r u e t i m e 工具箱建立了一个 采用p i d 算法控制直流电机的n c s 仿真模哩，分别对存在不同时延大小情况下 的n c s 的控制性能进行仿真研究。研究结果表明网络时延的存在会对n c s 的 性能造成不利的影响，过大的时延甚至会使n c s 变得不稳定。 在对g p c 算法原理进行深入分析的基础上，为了研究g p c 算法对存在时 延和模型失配问题的n c s 控制性能的调节作用，建立了n c s 的g p c 仿真模型， 对g p c 算法在不同时延和不同模璀失配程度f 对n c s 的控制性能进行了仿真 研究。研究结果表明，g p c 算法对存在固定时延的n c s 具有良好的控制性能， 但对存在随机时延的n c s 控制效果较差。研究结果还表明g p c 算法对存在一 定模型失配范围内的n c s 仍具有较好的控制效果，对模型失配的鲁棒性较强， 但对困随机时延抖动而引起的模型失配问题的n c s 控制效果较差，为此提出采 用测量网络平均时延并将其引入g p c 控制器预测模型中的方法来减弱模型失 配问题，仿真结果验证了该方法的有效性。 针对单纯采用g p c 算法无法保证对存在随机时延的n c s 具有良好控制性 能的问题，提出了一种g p c 算法与时延补偿器相结合的时延补偿策略。该策略 v 基f 预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研究 既包含g p c 算法多步预测的特点，又具备时延补偿器可以选择出最合适的数据 进行控制的优势，可以有效地削弱网络中不确定时延对n c s 性能造成的不利影 响。分别对不同随机时延情况下该策略的控制效果进行仿真研究，研究结果表 明，该策略在不同随机时延情况下均能取得较好的补偿控制效果，保证了n c s 具有良好的控制性能。 在对g p c 算法进行仿真研究的基础上，给出了其在网络控制实验平台上的 实现流程，为今后实际实验平台的搭建和进行实际效果的验证提供了一定的理 论依据。 关键词：网络控制系统；网络时延；广义预测控制；时延补偿 v i 济南大学硕上学位涂文 a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) h a st h ea d v a n t a g e so fr e s o u r c es h a r i n g ，e a s y i n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，r e m o t eo p e r a t i o na n dc o n t r o l ，h i g hr e l i a b i l i t y , w h i c h h a saw i d er a n g eo ft h ea p p l i c a t i o na r e a ss u c ha sp r o c e s sc o n t r o l ，a e r o s p a c e ，r o b o t i c ， r e m o t et e a c h i n ga n dt e l e m e d i c i n e ，e t c d u ct ot h ec o n s t r a i n t so fn e t w o r kb a n d w i d t h a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nr a t e ，n e t w o r kd e l a yw i l li n e v i t a b l ye x i s ti nn c si nt h e p r o c e s so fm u t u a le x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lc a u s ea d v e r s ee f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo fn c s t h e r e f o r e ，h o wt ow e a k e nt h e a d v e r s ee f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo fn c sc a u s e db yn e t w o r kd e l a ya n de x p l o r ea na d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h es u b j e c ti sb a s e do nt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ： r e s e a r c ho ni n d u s t r i a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e ms y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lp e r f o r m a n c e a n dc o n t r o ls t r a t e g y ( z r 2 0 0 9 g m 0 2 7 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho na l a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e l a t e dl i t e r a t u r e ，a n do nt h eb a s i so fad e e p a n a l y s i s o nt h ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r kt i m ed e l a yi nn c s ，an e t w o r kd e l a y c o m p e n s a t i o ns t r a t e g yb a s e do ng e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) i sp r e s e n t e dt o w e a k e nt h ea d v e r s ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fn c sc a u s e db yn e t w o r kd e l a y i no r d e rt oa n a l y z et h ee f f e c to fn e t w o r kt i m ed e l a yo nt h ep e r f o r m a n c eo fn c s ， t h et r u e t i m et o o l b o xi sa p p l i e dt oe s t a b l i s han c ss i m u l a t i o nm o d e li nw h i c hap i d a l g o r i t h mi sa p p l i e dt oc o n t r o la d i r e c tm o t o r , a n dt h ep e r f o r m a n c eo fn c su n d e rt h e c a s e so fd i f f e r e n tt i m ed e l a ya r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ee x i s t e n c eo fn e t w o r kd e l a yw i l lb r i n ga d v e r s ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fn c s ， a n de x c e s s i v ed e l a ym a ye v e nm a k en c sb e c o m eu n s t a b l e b a s e do nad e e pa n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fg p ca l g o r i t h m ，an e t w o r kc o n t r o l s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo fg p c i se s t a b l i s h e di no r d e rt os t u d yt h er e g u l a t i o ne f f e c t o fg p ca l g o r i t h mo nt h ep e r f o r m a n c eo fn cse x i s t i n gt i m ed e l a ya n dm o d e l m i s m a t c h ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fg p ca l g o r i t h mu n d e rt h ec a s e so fd i f f e r e n tt i m e d e l a ya n dm o d e l m i s m a t c ha r eg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t g p c v i i 基于二预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研究 a l g o r i t h mh a sag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c et on c s 、析t 1 1f i x e dt i m ed e l a y , b u tab a d p e r f o r m a n c e 、析mr a n d o mt i m ed e l a y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tg p c a l g o r i t h ms t i l l h a sag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c et on c sw i t hac e r t a i nd e g r e eo f m o d e lm i s m a t c ha n das t r o n gr o b u s t n e s st om o d e lm i s m a t c h ，b u taw o r s e p e r f o r m a n c et om o d e lm i s m a t c hc a u s e db yr a n d o md e l a yj i t t e r a na p p r o a c hb y m e a s u r i n ga v e r a g en e t w o r kd e l a ya n di n t r o d u c i n gi ti n t ot h ep r e d i c t i v em o d e lo f g p cc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e dt ow e a k e nt h ep r o b l e mo fm o d e lm i s m a t c h s i m u l a t i o n r e s u r sp r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a to n l yu s i n gg p ca l g o r i t h mc a r l tg u a r a n t e eag o o d c o n t r o lp e r f o r m a n c eo fn c sw i t i lr a n d o mt i m ed e l a y , at i m ed e l a yc o m p e n s a t i o n s t r a t e g yc o m b i n e db yg p ca l g o r i t h ma n dt i m ed e l a yc o m p e n s a t o ri sp r e s e n t e d t h e s t r a t e g yi n c l u d e sb o t ht h eg p ca l g o r i t h mf o rm u l t i - s t e pp r e d i c t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h ea d v a n t a g eo ft i m ed e l a yc o m p e n s a t o rt h a tc a ns e l e c tt h em o s ta p p r o p r i a t ec o n t r o l d a t a ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yw e a k e nt h eb a di n f l u e n c eo fu n c e r t a i nt i m ed e l a yo nt h e p e r f o r m a n c eo fn c s t h e e f f e c to ft h es t r a t e g yu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fd i f f e r e n t r a n d o mt i m ed e l a yi ss i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r a t e g yc a ng a i na b e t t e rr e s u l tu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fd i f f e r e n tr a n d o mt i m ed e l a ya n de n s u r ea g o o dp e r f o r m a n c eo f n c s o nt h e b a s i so fs i m u l a t i o ns t u d i e so ng p ca l g o r i t h m ，t h ei m p l e m e n t a t i o n p r o c e s so f g p c a l g o r i t h mo nn e t w o r kc o n t r o le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sg i v e n ，w h i c h p r o v i d e ss o m et h e o r e t i c a lb a s e sf o re s t a b l i s h i n ga c t u a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dt h e v e r i f i c a t i o no fa c t u a le f f e c ti nf u t u r e k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ；n e t w o r kt i m ed e l a y ；g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o l ；t i m ed e l a yc o m p e n s a t i o n v i l l 济南大学硕t 学伊论文 第一章绪论帚一早珀v 匕 1 1 课题背景及研究目的和意义 工业控制系统是实现工业生产自动化的关键，是衡量一个国家工业水平的重 要指标，而网络控制系统则是最新的工业控制系统。网络控制系统( n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s ，n c s ) ，是指系统中的各个控制器节点、执行器节点和传感器节 点通过网络相互连接而构成的实时闭环反馈控制系统【1 捌。与传统的点对点结构 控制系统相比，n c s 在资源共享、安装和维护便利、可实现远程控制、系统高 可靠性和高灵活性方面具有无可比拟的优势。n c s 所具有的这些优势使网络控 制成为控制系统发展的一种趋势，同时也使其成为复杂控制系统和远程控制系统 的客观要求，n c s 已成为当今自动控制界一个新兴的热点研究课题【3 引。n c s 不 仅可以应用于大型工业过程控制系统中，甚至在集中的小型局域系统( 比如航天 器、机器人以及新型高性能汽车等) 中都j f 在或者将要得到使用。正是由于n c s 具有如此广泛的应用领域和广阔的发展前景，所以国内外控制理论界学者才越来 越关注n c s 并对其进行了深入地研究。对于n c s 的理论研究和实际应用发展的 现状来说，国外水平要领先于国内水平，国内对于网络控制的概念在近年来才被 接受，尚处于发展初期阶段，因此本课题的研究具有积极和霞要的意义。 n c s 在给人们带来巨大方便和快捷的同时，也产生了许多使控制系统的分 析与设计变得更加复杂的问题。由于n c s 中的信息源很多，信息的传输要分时 占用网络通信线路，因此又导致了如网络时延、数据包丢失或时序错乱等现象， 这些问题的存在会给n c s 的性能带来严重的影响，同时对其理论和实际应用方 面的研究也因为这些问题的存在而变得复杂起来。网络时延受到网络通信协议、 网络负载状况、数据包大小等的影响，呈现出或固定、或随机的特性，网络时延 的这种随机不确定性使n c s 成为一个不确定的复杂的非线性控制系统。此外， 在传统控制系统中，我们为了便于分析和研究做了很多理想化的假设，比如系统 无时延、时钟同步等，这些假设在对n c s 的研究中便不再成立。因为网络控制 是基于网络进行的，信息的传输和交换是以数据包的形式进行的，在交换的过程 中必然会存在和涉及到网络时延和时钟同步的问题。因此，针对n c s 不同于传 统控制系统的特点，我们应该更进一步深入地研究n c s 的分析和设计方法，这 对n c s 的理论研究和实际应用具有深远的意义。 基于预测控制的网络榨制系统时延补偿控制策略研究 众所周知，网络时延的存在会降低系统的控制性能，严重时甚至会使系统变 得不再稳定。从控制系统的角度看，时延将使系统相位滞后，大大降低控制系统 的控制性能，例如，使系统的超调量增大、调节时间变长。即使系统仍然保持稳 定，其稳定区域也会显著减小。此外，网络时延还会衍生出两个基本问题：( 1 ) 数据包丢失，即当两个或多个传感器数据在同一个采样间隔内到达控制器时，那 么至少要丢掉一个数据；( 2 ) 空采样，即在一个采样周期内，由于网络带宽的限 制或网络拥塞等原因，没有新的数据到达控制器或执行器，那么控制器或执行器 将继续采用旧的采样数据或控制数据，使控制信号得不到及时地更新，这样显然 会严重影响系统的控制性能。因此，本课题针对网络时延会对n c s 控制性能造 成不利影响的问题，从控制技术角度出发分析并设计出一种先进的控制策略，用 来削弱或减少网络时延对n c s 性能造成的不利影响，从而提高n c s 的控制性能， 显然这具有十分积极和厦要的意义。 预测控制又称模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，m p c ) ，是2 0 世纪7 0 年代开始发展起来的一类新型的计算机控制算法【9 以1 1 。由于它适用于不易建立精 确数学模型且比较复杂的工业生产过程，因而广泛应用于石油、化工、冶金、机 械和电力等工业部门的控制系统中，成为当前自动控制领域中重要的研究课题。 由于预测控制具有多步预测、滚动优化和反馈校正的特征，我们可以充分利用计 算出的预测控制增量序列值，这使其在补偿网络时延和处理输入输出约束方面体 现出较强的优越性，成为一种具有良好鲁棒性和跟踪性能的先进控制算法【1 2 - 15 1 。 因此，把预测控制应用于n c s 的时延补偿控制中具有重要的理论意义和应用价 值。 本课题的研究得到山东省自然基金项目：工业网络控制系统同步控制性能及 控制策略研究( z i 也0 0 9 g m 0 2 7 ) 的支撑。本文主要负责n c s 中的网络时延补偿 控制策略的相关研究工作。 1 2 国内外研究发展概况 n c s 随着计算机技术和网络通信技术的持续发展和进步而不断地深入人们 的日常生活中，为人们的生产和生活带来了极大的方便。正因为如此，国内外关 于n c s 的研究才越来越多，才越来越受到人们的重视，成为控制理论界研究的 热点问题之一。 2 济南夫学硕卜学位论文 由于网络的介入而使得控制系统信息的传输产生的时延，称为网络诱导时 延。网络诱导时延的存在会降低系统的性能甚至引起系统不稳定，因此在n c s 的研究中，网络时延补偿问题受到了广泛的关注【1 6 - 2 3 1 。 对n c s 来说，我们可以从以下三个方面进行研究：第一，对网络本体的控 制，主要是围绕网络服务质量，从网络拓扑结构、网络协议、网络调度算法等不 同角度提出解决的方案，以满足控制系统的性能指标，减少网络时延、数据包丢 失、时序错乱等因素对系统性能造成的不利影响。这些可以运用运筹学和控制理 论的知识来实现。第二，对n c s 控制器的研究，主要是在现有的网络条件下， 设计相适应的n c s 控制器，来保证n c s 良好的运行性能。第三，对n c s 整体 控制性能的综合控制，主要是考虑在提高网络性能和控制性能的基础上，优化和 提高整个n c s 的控制性能。 本文主要在网络环境基本固定的条件下，从研究先进控制器的角度来介绍 n c s 的研究现状。 ( 1 ) n c s 的极点配置设计方法 这种设计方法主要是通过将n c s 中的随机时延转化为固定时延，然后针对 转化后的固定时延来设计相应的控制器。采用确定性控制设计方法对闭环n c s 进行设计，不受随机时变时延的影响。控制器的设计包括控制舰律的设计和状态 观测器的设计两部分。 关守平和孙兰香应用极点配置设计方法，将参数时变系统通过增广状态法转 换成一种标准的离散状态方程形式，设计了基于标准形式模型的控制规律和观测 器，通过仿真验证了该方法的有效性 2 4 1 。在此基础上，关守平和应婷建立了n c s 的整体控制模型，应用极点配置广义预测控制方法进行控制器的设计，并基于神 经网络建立时延误差补偿模型，进行预测修正，从而构成了基于极点配置和误差 补偿的n c s 预测控制算法。仿真结果表明该方法具有较好的控制精度，控制效 果良好【2 5 】。付磊和戴冠中针对输出时延和控制时延均大于一个采样周期的系统， 采用设置缓冲区和传感器数据带有时间戳的传输方法，设计了一种具有时延补偿 功能的状态观测器并基于该观测器设计了状态反馈控制系统1 2 6 l 。 ( 2 ) n c s 的最优化设计方法 在n c s 中，将网络时延作为系统中的随机变量或者随机过程，并将随机时 延的影响转化为l q o 问题进行求解。它包括最优控制规律设计和最优状态估计 基于预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研究 两个方面。 n i l s s o n 对基于离散域上的n c s 最优控制问题进行了分析，并且运用随机稳 定性分析理论论证了具有独立时延特性的n c s 的稳定性 2 7 1 。他采用随机最优控 制理论，在网络时延小于一个采样周期的情况下，研究了具有独立随机时延特性 和m a r k o v 特性时延的n c s 。采用动态规划的方法，可以得到系统的最优控制律。 同时，如果系统的状态是不完全可观的，那么可以通过设计一个最优的k a l m a n 滤波器来对系统状态进行估计。朱其新和胡寿松针对随机时延大于一个采样周期 的情形，建立了时延大于一个采样周期的n c s 的离散数学模型，而且得出了随 机最优状态反馈控制率【2 8 1 。于之训等针对网络中随机时延的情况，提出了一种新 颖的控制模式，建立了具有多步随机时延的n c s 的数学模型并基于m a r k o v 链理 论，得到了满足已知性能指标的随机最优控制律【2 9 1 。 ( 3 ) n c s 的鲁棒控制设计 在工业生产过程中，由于存在非线性、时变、干扰等因素，导致系统的模型 存在不确定特性，鲁棒控制设计因此应运而生。鲁棒控制方法的一个最大的优势 在于我们可以事先不知道时延的先验信息而利用鲁棒控制器的设计方法来设计 相应的控制器。在设计控制器时，将网络时延和对象模型均看成是系统的不确定 因素，在此基础上对鲁棒控制器进行设计。岳东等【3 0 1 针对同时存在时延和数据包 丢失的不确定n c s 设计了鲁棒玩控制器，于之训等采用肛综合方法设计出一种 能使系统在一定时延范围内仍能保持稳定的鲁棒控制器【3 1 1 ，谢林柏等针对具有多 步随机时延的n c s 模型，研究了别凰混合控制的问题【3 2 1 。 ( 4 ) n c s 的智能控制设计 高级控制和智能控制对于解决变化的问题和情况具有较好的适应能力，因此 可以利用智能控制和先进控制策略来解决时延不确定和时延补偿的问题，以提高 系统的鲁棒性。常用的智能控制方法有模糊控制方法、遗传算法、神经网络算法、 专家控制方法、预测控制算法等【3 3 。3 5 1 。 a l m u t a i r i 等人提出采用设计带有模糊补偿器的p i d 控制器的方法来削弱网 络时延对系统性能的不利影响。他在p i d 控制器的输出端添加一个比例因子，并 通过模糊控制器氲接对控制器的参数进行整定。研究结果验证了该方法能较好地 削弱网络随机时延对n c s 控制性能造成的不利影响，保证了系统的稳定性和良 好的控制性能p 6 。 4 济南夫学硕上学位论文 杜峰基于经典s m i t h 预估器原理，提出了一种新型s m i t h 预估补偿控制方法， 仿真结果表明，该方案在网络时延大于数个乃至数十个采样周期，同时网络存在 一定量的数据包丢失、预估模型与被控对象真实模型存在较大误差或不匹配情况 时，系统仍具有较强的鲁棒性，良好的动态性能和抗干扰能力1 3 7 l 。 贺萍等人针对n c s 具有不确定时延的特性，利用广义预测控制算法的多步 预测特点，结合缓冲区、事件时间混合驱动的方式以及时间戳的引入提出了一种 解决网络随机时延和数据包丢失、时序错乱的综合补偿控制方案【3 引。 彭伟等人针对网络中普遍存在的网络时延和数据丢包问题建立增广模型，设 计了r b f 预测控制器。通过预测控制器利用已知的数据对系统当前的状态和控 制量进行预测，从而对网络时延和数据丢包进行补偿，保证了系统的稳定性【3 9 1 。 王冬青针对n c s 中的网络时延具有随机不确定特性的情况，用b p 网络建 立了一个基于误差的预测模型，同时结合基于参数模型的预测输出值，构造了一 个广义预测控制算法。该方法可以克服系统不确定性和一般广义预测控制的建模 误差的影响。与传统的广义预测控制相比，带有神经网络误差补偿的广义预测控 制对模型失配具有更好的控制效果，保证了n c s 具有良好的控制性能l 删。 聂雪嫒等提出基于系统模型的补偿器的设计方法来解决网络时延对系统性 能影响的问题。通过设计具有多步预测功能的网络控制器，解决了前向通道的时 延补偿问题。同时，构造了一个具有时延补偿功能的状态观测器以对反馈通道的 网络时延进行补偿1 4 。 1 3 本文主要研究内容 本课题的研究得到山东省自然基金项目：工业网络控制系统同步控制性能及 控制策略研究( z r 2 0 0 9 g m 0 2 7 ) 的支撑。本课题研究的主要内容是针对n c s 中 普遍存在的网络时延问题，研究一种先进的控制策略用于削弱网络时延对系统性 能造成的不利影响，从而达到改善系统控制性能的目的。 本文共分为六章来阐述。第一章是绪论，主要介绍n c s 的背景、课题研究 的目的及意义，详细阐述国内外n c s 的研究发展现状。 第二章概述和分析n c s 及其存在的基本问题。主要介绍n c s 的概念、结构 和特点，详细分析n c s 中存在的基本问题。 第三章研究网络时延对n c s 性能的影响。在第二章的基础卜重点对网络时 基于预测控制的网络控制系统时延补偿控制策略研冤 延特性问题进行深入地分析，同时对实际网络时延大小进行测试。利用t r u e t i m e 工具箱建立n c s 的仿真模型，并在此基础上研究时延对系统性能的影响。 第四章对g p c 算法进行分析。详细介绍g p c 算法的原理，包括对象模型、 输出预测模型以及预测控制律。在此基础上，对g p c 算法的参数选取原则进行 简要的说明，最后仿真研究算法主要参数对系统性能的影响，并对结果进行分析。 第五章研究g p c 算法在n c s 时延补偿中的应用。首先，建立n c s 的g p c 仿真模型，仿真研究g p c 算法对存在时延和模型失配情况的n c s 控制性能的调 节作用。其次，为了削弱网络时延对n c s 性能造成的不良影响，提出一种g p c 算法与时延补偿器相结合的时延补偿控制策略，并对其控制效果进行仿真研究。 最后，对g p c 算法在网络控制实验平台上的实现流程进行分析和研究。 第六章是结论，对全文工作进行总结，并对下一步的工作进行展望。 6 济南大学硕十学位论文 第二章网络控制系统概述及基本问题分析 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) ，又被称为基于网络的控 制系统、网络化控制系统，是一种完全分布化、网络化的控制系统，是通过网络 构成的闭环反馈控制系统。具体来说，n c s 以网络作为传输介质，实现传感器、 控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，从而实现资源共享、协调与操作。 n c s 是计算机网络技术、通信技术、控制科学技术日益发展与相互交叉融合的 产物，是计算机网络技术在控制系统领域的延伸和应用，是计算机控制系统的更 高发展。下面我们将针对n c s 的结构、特点以及其存在的基本问题进行详细介 绍。 2 1 网络控制系统的结构和特点 n c s 一般由三部分组成：控制器、被控对象以及通信网络。被控对象一般 为连续时间系统，而控制器一般采用离散时间系统。传感器采集被控对象的信息 并将其离散化，然后通过通信网络发送到控制器。控制器进行运算后，将输出的 控制信息通过网络发送到被控对象的输入端，并由零阶保持器生成分段连续函数 作为被控对象的输入。 在一个n c s 中，被控对象、传感器、控制器和执行器的物理位置可不相同， 控制器和被控对象的个数也不止一个，一个控制器可以控制多个被控对象，同时 一个被控对象也可以通过控制器信息融合的方式或者分时的方式被多个控制器 控制。n c s 的结构图如图2 1 所示。 图2 1 网络控制系统结构图 图2 1 表示的n c s 包含了n 个被控对象和控制器，另外通信线路中还有其 7 皋。f 预测控制的网络控制系统时延补偿拧制策略研甓 它负载参与工作。与传统的点对点控制系统相比，n c s 的优点是可以共享信息 资源、减少系统布线、易于扩展和维护、增加系统的灵活性和可靠性、远程监测 与控制等，具体来说有： ( 1 ) 能实现远程操作和远程控制，用数字信号取代模拟信号在数字网络上 传输，实现控制设备间的数字化互连。 ( 2 ) 互操作性。在同一网络中不同的厂商产品之间可以实现相互兼容和相 互通信。可以不同程度地减少在中间环节信息处理设备的使用，降低控制成本。 ( 3 ) 开放性。系统扩展性和维护性增强，增加或减少节点比较简单。可以 实现从决策管理层、调度层到现场控制设备层的全系统控制和全过程优化。 ( 4 ) 节点智能化。很多节点都是带有c p u 的智能终端，记录和处理数据更 易实现，节点之间通过网络实现信息传输，每个节点均具有各自相对独立的功能， 是控制系统的一个重要组成部分。 ( 5 ) 控制现场化和功能分散化。网络化结构使一些职能和现场设备可以完 成原来中央控制器要实现的任务，这使系统的危险性降低，从而提高了系统的安 全性和可靠性。 n c s 有无线和有线，广义和狭义之分。n c s 除了以上的特点之外，利用无 线网络技术还可以将广泛散布于工业现场的传感器与远程的控制器和执行器连 接起来，从而构成一些用于特殊用途的无线n c s ，这显然是传统控制系统无法 实现的。正足由于这螳显著特点，n c s 在汽车控制系统、电力系统、航空航天 系统和工业过程控制系统等领域获得了广泛的关注，具有良好的发展前景和广阔 的应用领域。 2 2 网络控制系统中的基本问题 n c s 给控制领域带来极大优势的同时，也存在着许多难以解决的问题。由 于网络的引入，使控制系统通过网络形成闭环控制系统，控制系统中各个节点在 进行信息交换时必然会通过网络